基于现场试验的TBM隧道支护结构力学性能研究

赵向波， 王利明， 王 军， 赵海雷

（1.新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，乌鲁木齐830000； 2.盾构及掘进技术国家重点实验室，郑州 450001；3.中铁隧道局集团有限公司，广州 511458）

随着国家西部大开发战略的深入实施，铁路及水利工程建设越来越广泛地采用TBM法进行施工，如川藏铁路色季拉山隧道、伯舒拉岭隧道、果拉山隧道、孜拉山隧道和德达隧道等5座隧道正洞共计划采用18台大直径TBM（10.2 m）施工［1］；大瑞铁路高黎贡山隧道彩云号敞开式TBM 为9.03 m［2-3］；云南滇中引水香炉山隧道云岭号敞开式TBM 直径为9.83 m［4-5］；新疆YEGS 二期输水工程总长540 km，正洞采用18 台TBM 集群施工［6-7］.在TBM快速掘进施工中，衬砌结构的快速支护可有效地控制隧道围岩的快速变形.

初期支护结构作为抵抗隧道围岩变形的主要结构措施，其结构力学性能的研究可为隧道施工和衬砌结构优化设计提供重要理论依据，同时也可助力TBM隧道工程建设行业水平的发展和提高，当前针对隧道初期衬砌结构的研究大多依托矿山法隧道工程，如黄明利等［8］针对隧道拱顶下沉、围岩内部变形、围岩压力、钢拱架应力及锚杆轴力开展了现场监测试验研究，同时优化了隧道锚杆结构设计参数.谭忠盛等［9］、王利明等［10］开展支护结构现场试验，分析了隧道锚杆支护结构受力特征.曲海锋等［11］、王利明等［12］、文竞舟等［13］、廖伟等［14］针对钢拱架结构开展现场测试，研究了钢拱架结构受力性能，得到了钢拱架受力变化特征及稳定性判断.赵勇等［15］通过对天平山隧道锚杆轴力现场试验研究得出，锚杆轴力多呈中间大、两端小的分布形式，且轴力变化历时长，不易稳定.徐剑波等［16］基于现场测试和数值模拟，研究分析了典型地层隧道围岩变形、钢支撑应力、锚杆轴力等衬砌结构内力和变形规律.Moreira等［17］通过地基曲梁和反分析理论方法将施工监测结果导入衬砌结构内力解析计算中，获得了衬砌结构受力特征.Karmen等［18］通过隧道施工现场监控量测结果分析了衬砌结构的安全性，评价了施工隧道围岩的稳定性.李元松等［19］通过现场试验及数值计算手段，对隧道洞口段的支护结构受力特性进行研究，获得了隧道初期衬砌结构力学特性.王利明等［20］、喻伟等［21］针对城市地铁隧道管片结构及施工进行现场试验研究，分析总结了隧道支护结构受力变化规律及施工技术.李晓红等［22］针对施工中隧道围岩变化规律开展了理论研究，得到了支护结构可有效地抑制隧道围岩变形速率的结论.陈耕野等［23］通过韩家岭隧道现场支护结构应力测试，研究了喷射混凝土和锚杆结构在初期支护中的作用.

为研究TBM法隧道工程初期支护结构受力特性，本文依托新疆YEGS二期输水工程KS隧道开展围岩深部位移、围岩接触应力、钢拱架应力和锚杆轴力研究，全面分析TBM法隧道初期结构体系受力特征及分布规律，一方面可为TBM隧道工程施工和结构优化提供理论依据，另一方面可对川藏铁路隧道工程修建及隧道工程行业的发展提供宝贵的基础参考资料.

1 工程概况

新疆YEGS 二期工程KS 隧道全长283.3 km，最大埋深为774 m，平均埋深为428 m，隧道穿越地层主要为凝灰质砂岩、凝灰岩、凝灰岩夹凝灰角砾岩、花岗岩等，岩石饱和抗压强度主要在50～140 MPa之间，最大强度达200 MPa，为中坚硬岩，岩体完整性较好.超过84%的隧道围岩为Ⅱ、Ⅲ级围岩，隧道围岩稳定性较好，而部分Ⅳ、Ⅴ级围岩岩性主要为糜棱岩和碎裂岩，稳定性较差.隧址范围内地表水贫乏，地下水主要为基岩裂隙水，多赋存在断层破碎带、裂隙密集带等岩体空隙处，水量小，主要表现形式为渗滴，局部有流水成线的现象.

隧道采用直径为7.03 m 的敞开式TBM 掘进施工，该工法施工速度快，围岩扰动影响小.隧道初期支护以锚杆、钢拱架、喷射混凝土为主，围岩破碎地段加设钢筋网片或钢筋排进行支护，确保隧道围岩稳定性.Ⅳ级围隧道初期支护结构具体参数如表1和图1所示.

表1 初期支护结构参数Tab.1 Parameters of initial supporting

图1 初期衬砌结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the initial lining structure

2 现场试验方案

为掌握隧道围岩及初期支护结构受力状态，判断隧道稳定性，为隧道的动态优化设计和信息化施工提供理论依据，对凝灰岩地层隧道围岩接触应力、围岩内部位移、初期衬砌结构力学性能开展施工现场试验，围岩等级为Ⅳ级，隧道埋深为316 m.

TBM 法隧道为圆形，衬砌结构及围岩变化特征具有对称性，确定监测断面布置4 支土压力盒、8 支钢筋表面应力计、3 组锚杆测力计和3 组多点位移计.其中钢拱架每处测点处内外侧均设置钢筋表面应力计，传感器具体布设见图2.同时传感器数据采集仪器为振弦式实时采集仪，采集范围为400～5000 Hz，精度为0.1 Hz，采集仪内嵌高性能ARM 控制器，反应快速，性能稳定.测点布设与安装如图3所示.

图2 测点布置图Fig.2 Layout of measuring points

图3 传感器安装及现场监测Fig.3 Sensor installation and field monitoring

3 试验结果分析

3.1 围岩深部位移

图4为隧道围岩深部累计位移随时间变化曲线图，随着TBM 掘进围岩深部位移具有显著的时空效应，前5 d初始阶段深部位移线性增大，变形速率最高达0.99 mm/d，位移达到峰值后出现小幅衰减与波动，随着钢拱架及锚杆支护结构作用的发挥，15 d后深部围岩受开挖影响很小，经过缓慢蠕变变形后围岩趋于稳定.

图4 围岩内部累计位移-时间曲线Fig.4 Accumulative displacement-time curves inside surrounding rock

单就隧道某一位置处三个测点分析可知，0.5 m处增长速度较大，1.5 m和2.5 m处内部位移增长速度相当；稳定后，0.5 m处内部位移最大，而1.5 m和2.5 m测点处累计位移相对较小.即越靠近隧道轮廓边缘内部位移越大，越向围岩深处内部位移越小.

隧道拱顶处围岩变形最大，最大累计位移为4.94 mm，拱腰处深部围岩变形最小，可能与围岩结构重塑形成塌落拱有关.整体上，隧道围岩内部变形都很小，主要是由于凝灰岩地层围岩较好，TBM掘进扰动影响小，同时钢拱架及锚杆支护结构施作及时，抑制了隧道围岩进一步变形收敛，因此隧道整体围岩变形较小.

3.2 围岩接触应力

图5为围岩接触应力-时间曲线，压应力为正值，拉应力为负值.

图5 围岩接触应力-时间曲线Fig.5 Contact stress-time curve of surrounding rock

围岩接触应力变化波动较大，短时间内达到最大值，然后逐渐降低，缓慢发展最后趋于稳定，围岩接触应力均为正值，表示初期支护为受压状态.

整体上，边墙处围岩接触应力最大，达到18.65 kPa，拱顶处最小，拱顶与拱肩处相差不大，具体为边墙>拱腰>拱肩>拱顶，这与一般计算结果不完全相同，主要由于支护结构抵抗变形的能力不同，导致该试验断面围岩接触应力呈现下部大上部小.现场测试时边墙和拱腰处压力盒传感器结合型钢拱架与围岩表面紧贴安装，而拱顶和拱肩处压力盒传感器是结合钢筋排进行安装，型钢拱架弹性模量比钢筋排大，其提供的抗力较大，所以围岩接触应力相对较大.因此建议施工中采用可缩式恒组让压钢拱架等柔性支护，在确保围岩可控变形范围内提供足够的支护抗力，确保隧道围岩的稳定性.

3.3 钢拱架应力

图6 为钢拱架应力随时间变化曲线，钢拱架拉应力为正值，压应力为负值.现场经过46 d 不间断的监测时，监测断面到隧道掌子面的距离为816 m.

通过分析图6可知，钢拱架应力监测前5 d增长速度比较快，之后缓慢增长，在监测16 d后钢拱架应力趋于稳定，但右拱肩外侧的应力存在正负交替的现象，应力变化规律相对较复杂，第一阶段钢拱架应力为负值，变化趋势为先增大后减小.第二阶段钢拱架应力为正值，变化趋势为增大后微降，然后趋于稳定.拱肩外侧应力状态复杂可能是由隧道拱肩围岩破碎、裂隙较发育，凝灰岩岩性下围岩变形大引起的，而在隧道场重构后达到稳定的状态.

图6 钢拱架应力随时间变化曲线Fig.6 Stress time history curve of steel arch frame

图7为不同阶段时刻钢拱架内外侧应力分布图，除拱肩外侧测点外钢拱架应力均为负值，钢拱架整体向内挤压，外侧应力普遍小于内侧应力.外侧应力中边墙处最大，最大值为50.88 MPa.内侧应力中拱顶处最大，最大值为32.54 MPa，钢拱架服役应力值均小于HW125型钢的屈服强度，钢拱架处于稳定状态.

图7 钢拱架应力分布图（单位：MPa）Fig.7 Stress distribution of steel arch frame

3.4 锚杆轴力

锚杆轴力分布如图8所示.通过分析拱顶、拱肩和拱腰处稳定后锚杆轴力值可知，0.5 m 处锚杆轴力最大，其次为1.5 m 处锚杆轴力，2.5 m处锚杆轴力最小，即随着锚杆进入隧道围岩越深其轴力值越小.通过分析锚杆与围岩相互作用机理可知，隧道锚杆支护结构中性点在隧道边缘0.5 m处附近，即锚杆的拉拔长度约为0.5 m，锚固长度约为2.5 m.

图8 稳定后锚杆轴力分布图（单位：kN）Fig.8 Axial force distribution of anchor rod after stabilization

TBM 工法施工对隧道周边围岩扰动较小，周边围岩的整体性较完整，TBM掘进开挖对隧道上部影响最大，拱腰处影响最小，锚杆轴力整体呈现为拱顶处轴力最大，其次为拱肩处，而拱腰处轴力最小，即：拱顶>拱肩>拱腰.

4 结论与建议

针对TBM隧道围岩及初期支护结构开展了现场监测试验研究，分析得到了初期支护结构体系受力特征及分布规律，为TBM隧道设计和施工提供了技术支撑，确保了隧道工程的施工安全.

1）隧道围岩深部位移较小，最大为4.94 mm.隧道深部围岩0.5 m 处位移最大，而1.5 m 和2.5 m 测点处累计位移相对较小，即越靠近隧道轮廓边缘内部位移越大，越向围岩深处内部位移越小.

2）围岩接触应力均为正值，初期支护整体表现为受压状态.围岩接触应力受支护结构本身抵抗变形能力的影响较大.

3）除拱肩外侧测点外钢拱架应力均为负值，钢拱架整体向内挤压，外侧应力普遍小于内侧应力.TBM掘进后钢拱架支护及时，隧道围岩变形较小，钢拱架应力主要在10.92～50.88 MPa之间，均未超过HW125型钢屈服强度.

4）沿锚杆近端轴线方向锚杆轴力逐渐增大，在中性点（0.5 m）附近达到峰值，然后逐渐减小.整体表现为拱顶处锚杆轴力最大，拱肩处次之，拱腰处最小，即：拱顶>拱肩>拱腰.